千瓦级燃料电池备用电源系统设计与集成

王　政，张占奎，李　云

(中国东方电气集团有限公司 中央研究院，四川 成都 611731)



千瓦级燃料电池备用电源系统设计与集成

王政，张占奎，李云

(中国东方电气集团有限公司 中央研究院，四川 成都 611731)

摘要：针对通信基站备电需求，设计开发出5 kW燃料电池备用电源系统以及高性能电池堆、DC/DC功率变换器、智能控制器等核心模块。经过3 200 h寿命测试，燃料电池性能衰减率为0.06 V/kh，预计可在通信基站应用环境使用20年。

关键词：燃料电池;系统集成;通讯基站备用电源

质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术是一种清洁高效的新型发电技术，通过电化学反应将氢气中的化学能直接转变为电能，具有工作温度低、绿色环保、结构简单和稳定可靠等优点，在通信基站备用电源领域具有广阔的应用市场，被认为是替代铅酸蓄电池和柴油发电机的清洁能源解决方案。

以高效率、低成本、长寿命为目标，重点研究PEMFC系统的稳定性和可靠性等关键技术问题，设计开发核心功能模块并集成千瓦级PEMFC备用电源系统，进行性能测试与可靠性验证，以推动PEMFC技术在通信基站领域的广泛应用。

1通信基站PEMFC备用电源系统技术需求

目前我国近400万座通信基站中，常规基站设备功率等级在1 kW至10 kW之间，部分核心基站及多代设备共建基站功率超过10 kW。基站的分布范围较广，中国北方冬季温度可达-30 ℃，南方夏季温度可达40 ℃，因此基站对备用电源的环境适应性要求较高。此外，通信运营商为降低设备投入成本和维护人力成本，一般要求PEMFC备用电源系统具备较长的寿命(15年以上)和维护周期(1年以上)。PEMFC系统在通信基站的应用架构如图1所示，直流总线电压为-48 V，系统在主电网故障时向基站设备提供应急电能，实现无缝切换。

图1　燃料电池备用电源供电系统

通信基站应用领域对于清洁备用电源系统的应用需求巨大，中国东方电气集团有限公司中央研究院自主研发了千瓦级PEMFC备用电源系统。对系统应用需求进行了详细的调研和分析，确立了研发目标和技术路线，主要技术需求如表1所示。

表1　通信基站PEMFC备用电源系统技术指标要求

2PEMFC备用电源系统设计

系统的总体技术方案包括电池堆工程设计的优化，功能模块的开发与耦合以及系统集成与智能控制，并针对PEMFC备用电源系统及主要核心部件电池堆的耐久性等关键技术问题，逐一展开研究。系统流程示意图见图2，系统中核心部件及功能模块间的关系如图3所示。

图2　通信基站PEMFC备用电源系统流程

2.1电池堆设计

电池堆通过电化学反应将氢气转换为电能，是PEMFC系统的核心部件，直接影响系统的成本、性能及寿命。

图3　通信基站PEMFC备用电源系统主要模块及相互关系

依据5 kW PEMFC备用电源系统的技术要求，设计采用自加湿水冷型电堆。在燃料电池电堆中，质子交换膜的水含量直接影响其质子传导能力，是决定电池性能和寿命重要因素之一，传统方式是通过外部加湿模块对电池反应气体进行加湿处理，以实现质子交换膜良好的水合状态，使其具有较高的导电性，这种方式增加了系统复杂程度和制造成本。通过膜电极制备、极板流道设计和电堆操作条件优化等技术研究，成功开发出燃料电池自加湿电堆，在保证电堆性能的同时减少了外部加湿模块等辅助系统。

根据系统额定输出功率5 kW需求，同时兼顾系统内耗及设计冗余，电池堆的设计功率为5.8 kW；为满足电堆输出电压、电流以及与功率变换模块(DC/DC)的匹配要求，电堆节数设计为60节；膜电极采用东方电气自制的膜电极，双极板材质为石墨。

使用东方电气自主研发的2～12 kW燃料电池测试平台对所开发电池堆的额定输出功率、峰值输出功率、额定输出电压、输出电压范围、电流输出范围等性能指标进行了测试，测试结果表明电池堆满足PEMFC备用电源系统技术要求，如图4、图5所示。

图4　电池堆输出电压与输出电流变化曲线

2.2系统辅助部件设计

系统辅助部件(Balance of Plant，BOP)主要作用是保障燃料电池系统的启动、稳态运行以及变工况条件下动态响应，其流程与架构的设计优化是燃料电池系统集成的关键。

图5　电池堆输出功率与输出电压变化曲线

BOP由氢气供应、空气供应、电池堆冷却及换热、尾气处理等功能单元组成，具体包含空气泵、质量流量控制器、电磁阀、液体泵、换热器、温度传感器等部件。依据PEMFC系统以及电池堆的技术要求，BOP主要技术指标如表2所示。

系统BOP的设计以能量高效利用为原则，兼顾BOP部件的能耗、控制方式、效率、体积和成本等因素。通过流体力学分析，研究氢气、空气、冷却液的流动对电池堆及空气泵等流体动力单元性能的影响，设计具有高可靠性与稳定性的PEMFC发电系统。

2.3DC/DC功率变换模块设计

燃料电池输出电压范围较宽，基站设备端可接受的工作电压范围较窄，PEMFC系统中采用功率变换模块实现电压转换。

采用全新的供电拓扑结构，开发高频高效隔离型变换器。电源管理模块以四开关Buck-Boost拓扑为基础的DC/DC变换器，单模块允许的输入电压范围为25～70 V，输出电压为48 VDC，最大输出电流为50 A，额定功率1 500 W，系统中采用4块DC/DC变换器并联实现系统功率输出。图6为所开发的燃料电池DC/DC变换器的功率主板、控制器。

燃料电池DC/DC变换器在进行功率变换时，转换效率是衡量其性能的重要指标。图7为DC/DC变换器在输入电压为30 V时的转换效率曲线，DC/DC变换器的最高转换效率为95.7%。

2.4智能控制系统设计

PEMFC系统智能控制模块作为系统的控制中枢，其控制精度和稳定性直接影响PEMFC发电系统的运行性能和寿命。

针对PEMFC系统运行中工况复杂多变，多输入/多输出、各变量强耦合、多回路控制、大时滞及强非线性等关键技术问题，通过分析和研究系统稳态模型和动态模型，建立了智能控制策略。控制系统结构分为3层：现场控制层、过程控制层和集中监控层。现场控制层主要负责PEMFC系统中各个模块和部件的运行控制，包括供电、控制信号输出、状态实时监测等；过程控制层主要负责燃料电池各子系统及设备之间的协同工作；集中监控层根据用户的需求和操作，合理优化系统的控制策略，控制各子系统间的协同优化运行，并实现整个系统的异常报警及联锁保护等。

表2　PEMFC备用电源系统BOP主要设计指标

图6　燃料电池DC/DC变换器功率主板和控制器

图7　输入电压为30 V时燃料电池DC/DC变换器转换效率曲线

通过图8控制系统的设计，实现了PEMFC发电系统的精确控制、实时状态监测以及故障在线诊断等功能，增强了系统的动态响应能力，为PEMFC发电系统的高效、稳定、安全、耐久运行奠定基础。

图8　燃料电池备用电源系统控制总体架构

3PEMFC备用电源系统集成与测试

系统集成的主要工作是实现燃料电池堆、系统辅助部件以及功率变换模块等所涉及的电、气、水、热综合管理，建立各模块间质量流、能量流的最佳耦联机制，提高系统运行效率和可靠性。

3.1系统性能测试

针对通信基站PEMFC备用电源系统的性能要求，根据各模块的特性及空间结构设计进行系统集成，建立系统运行的控制逻辑，实现系统功率调度自动化。完成系统集成后，首先对燃料电池功率跟踪特性进行了模拟和测试，测试结果如图9所示。系统在负载小幅波动和较大幅度波动时，可在短时间内实现功率的调度，满足负载需要并实现蓄电池的充放电管理，保证系统的长时稳定运行；在功率调度过程中，虽然负载输入电压有小幅下降，但完全在负载设备的要求之内。

图9　燃料电池备用电源系统模拟负载波动运行动态特性

3.2系统寿命测试

燃料电池备用电源寿命测试是验证系统各模块功能以及可靠性的重要手段。测试主要分为3个方面：1)通过系统启停机连续运行，研究系统性能衰减规律；2)通过系统在不同输出功率等级的测试，验证其负载跟踪能力；3)长时运行控制器及电源管理模块，检验系统通信性能的兼容性。

目前燃料电池备用电源系统已累计运行近3 200 h，启停机次数超过600次，衰减拟合曲线如图10中所示。 系统的衰减率约为0.06 V/kh，预计系统可在实际通信基站应用环境下使用约20年。

图10　燃料电池备用电源系统累计运行结果

4结语

基于通信基站备用电源应用需求的调研和分析，明确了5 kW燃料电池系统的额定功率、输出电压、备电时间、使用寿命等技术要求，设计开发出电堆、功率变换、智能控制和BOP等功能模块，完成了系统集成与测试。通过对燃料电池系统3 000多小时、启停机600余次的寿命测试，5 kW燃料电池备用电源系统性能衰减率为0.06 V/kh，预计可在通信基站应用环境下使用20年，满足通信基站备用电源技术要求。

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(责任编辑佟金锴校对张凯)

Design and Integration of Kilowatt Fuel Cell Backup Power System

WANG Zheng，ZHANG Zhan-kui,LI Yun

(Central Academy,Dongfang Electric Corporation,Chengdu 611731,Sichuan Province)

Abstract：Based on power requirements of telecom communication applications,a 5kW fuel cell backup power system was designed and integrated with high performance stack,DC/DC power converter and intelligent controller. After 3,200 hours of endurance test,the performance degradation of the fuel cell system was about 0.06V per-thousand hours and it was expected to have 20 years lifetime for backup power applications.

Key words：Proton exchange membrane fuel cell；System integration；Telecom communication backup power

中图分类号：TM911

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)02-0126-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.02.007

作者简介：王政(1958-)，男，上海人，高级工程师。

收稿日期：2016-02-29